Лекционни материали „Основи на нанотехнологиите. Държавни програми и фундаментални изследвания

Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

ТЕСТ

на тема: “Основи на нанотехнологиите”

1. Избройте областите, в които се използват нанотехнологиите. Дайте примери за получените материали

Нанотекстил

Нанотекстилът заема едно от водещите места в световното производство на нанопродукти след наноелектрониката, нанофармацевтиката и нанокозметиката.

Обем на производство ~ 50 милиарда DS (2006)

Ръст ~ 10% на година

Лидер на САЩ ~40%

Руската федерация купува ~ 1,5 милиарда DS (технически, хигиенни, спортни)

Хигиенни текстилни изделия

(пелени, болнично бельо)

200 милиона души - потребители (деца, възрастни) на пелени. Населението на света застарява, пазарът на пелени се разширява.

Хигиенни текстили = нанотехнологии: Нановлакна (суперсорбенти), наносребро?, нанопарфюм и др.

Химически влакна

Нановлакна по диаметър< 100 нм.

Най-разпространената технология за производство на нанотънки влакна е електропредене, когато на изхода от финерета разтворът или стопилката на полимера навлиза в зоната на действие на електрическо поле. В електрическо поле изтичащият полимерен поток се разрежда до наноразмери, както е показано на диаграмата:

Конвенционалните химически влакна, съдържащи наночастици с различно химично естество и форма (въглеродни фулерени, метали, метални оксиди, алумосиликати и др.), влакна, пълни с наночастици, са композитни влакна с нови свойства.

Новите свойства зависят от природата на наночастиците: електрическа проводимост, механична якост, антимикробни свойства, оцветяване и др.

Защитен текстил

Нито в чуждестранната, нито в местната литература няма точна дефиниция за това какво представлява защитният текстил. Нека се опитаме да дадем нашите собствени (може да бъдат коригирани):

„Текстилен материал и продукти, направени от него, които защитават хората и околната среда (чудодейни и създадени от човека).“

Трудността на дефиницията се дължи на факта, че защитните текстили попадат частично в технически текстил, когато предпазват оборудването, и в спортен текстил, медицински текстил, козметичен текстил и геотекстил.

Самият текстил и произведените от него продукти също изискват, при условия на експлоатация и съхранение, защита от термично, химическо, механично, био-, фото- и радиационно разрушаване. Защитата на материали и продукти от тези влияния не предпазва автоматично човек от тях. И все пак, често тези функции се комбинират, например, като даваме на материала огнеустойчивост, ние предпазваме от пожар и хора! Защитавайки материала от микроорганизми, ние предпазваме и хората!

Актуалността на проблема с разработването на технологии и производството на защитни текстилни изделия се крие във факта, че милиони хора на планетата, обекти на природата и технологиите се нуждаят от защита от специфичните условия на труд на хората и работата на оборудването.

Условията на труд на хората от много професии имат вредно въздействие върху човешкото тяло, което налага защита с помощта на текстилни продукти. Работата в промишлеността, правоохранителните органи, болниците, електрическите, водните и атомните централи е свързана с определени и специфични рискове. Всяка професия има свои специфични изисквания за защита.

Основни защитни функции, свойства на текстила и изделията от него:

Прегряване

Хипотермия

Химическа защита срещу течни и газообразни токсични вещества

От вредни микроорганизми

Балистична защита

От радиация

От UV радиация

От кръвосмучещи кърлежи

Повечето от тези свойства сега се придават на текстила с помощта на нановлакна, наномедицини и различни други нанотехнологични техники.

Медицински текстил и нанотехнологии

Медицинският текстил понякога се класифицира като технически текстил, което не е вярно. Това, разбира се, е нетехнически текстил. Medtextiles е хуманитарна, социална употреба на текстила. В тази област нанотехнологиите са намерили приложение, изпреварвайки (с годишен ръст от 5%) всички останали видове текстил, като за това има причини, които обуславят изключително динамичното развитие на производството на медицински текстил:

Световното население расте, особено в развиващите се страни. В света има 6,5 милиарда души, 1 милиард 200 милиона души в Китай, 900 милиона души в Индия.

Промяна на демографската структура, увеличаване на дела на възрастното население.

Подобряване нивото и качеството на живот.

Повишени рискове, свързани с влошаване на околната среда (увеличаване на сърдечните заболявания, рак, СПИН, хепатит), природни бедствия, терористични атаки и др.

Повечето от най-новите постижения в областта на медицинския текстил са свързани с нано-, био- и информационни технологии, полимерна химия и физика.

Medtextiles обхваща много широка гама от продукти и според предназначението си те могат да бъдат класифицирани както следва:

Превързочни материали (традиционни за защита на рани, съвременни медицински).

Импланти (биоразградими и неразградими нови материали, сухожилия, връзки, кожа, контактни лещи, роговица, кости, стави, кръвоносни съдове, сърдечни клапи). Това не означава, че текстилът образува целия имплант; той може да бъде неразделна част от него.

Устройства, които заместват органи (изкуствен бъбрек, черен дроб, бели дробове и др.), където в дизайна са включени текстил и влакна.

Защитно облекло (хирургически маски, шапки, покривки за обувки, спално и бельо, одеяла, завеси). Всички тези материали имат антимикробни, антивирусни свойства, а облеклото на хирурга също е водоотблъскващо (задържа физиологичните течности на пациента по време на операцията).

Сензорен текстил и облекло за наблюдение от разстояние на основните параметри на тялото на пациента (използва се и за наблюдение на тренировките на спортисти, армейски персонал при изпълнение на задачи, свързани с екстремни усилия). Миниатюрни сензори, вградени в текстила на облеклото, следят динамиката на промените в електрокардиограмата, дихателните функции, пулса, температурата на кожата, нивото на кислород в кръвта и положението на тялото в пространството. Всички тези показатели се записват на специални преносими устройства (с размерите на мобилен телефон) и се предават на централния сървър на болницата и след това на лекуващия лекар, който взема решение при спешен случай.

Козметичен текстил

Козметичният текстил е много по-малко разнообразен в сравнение с медицинския текстил. Основната група, вид козметичен текстил са козметичните маски на текстилна основа. Действат подмладяващо, забавят стареенето на кожата, изглаждат бръчките, а при проблемна кожа (обрив, акне, пигментация и др.) маските имат терапевтичен ефект.

Козметичните маски съдържат козметични препарати от различно естество (растителни екстракти, витамини, биологично активни вещества, лекарства, сребърни наночастици).

Има различни методи за въвеждане на тези лекарства в маски: импрегниране, използване на оразмеряване и технология за печат.

Във всеки случай задачата, както и при медицинските превръзки, е да се създаде маска - депо от козметика или лекарства.

Местната компания Texal разработи технологията и произвежда козметични маски на текстилна основа под търговското наименование Texal. За основа е взета описаната по-горе технология Koletex, за маските са избрани само специални текстилни материали, полимерни състави и козметика и лекарства.

Интересна посока в производството на козметичен и медицински текстил е използването на специални органични молекули - контейнери за козметика и лекарства.

Като такива молекулни контейнери се използват циклични производни на декстрин - циклодекстрин (слайд 70). Циклодекстрините с различни структури (брой членове на цикъла) имат вътрешна хидрофобна кухина (5085 nm) и външна хидрофилна (много хидроксилни) повърхност. Ако в кухината на циклодекстрина се поставят лекарства или козметика, а самият циклодекстрин се въведе в текстилния материал и се фиксира в него, тогава се образува депо за лекарства или козметично депо.

Спортен нанотекстил

Спортният текстил днес широко използва нанотехнологични техники и методи:

Спортно облекло, създаващо комфорт в пространството за бельо (влажност, температура).

Диагностично сензорно облекло, което следи състоянието на тялото на спортиста онлайн.

Изключително издръжливо спортно оборудване от ново поколение.

нанотехнология текстилен риск за околната среда

2. Потенциални рискове, свързани с развитието на нанотехнологиите

В момента голям брой пасивни наноструктури (първо поколение) се използват в козметиката, боите и смазочните материали. Експертите идентифицират следните рискови характеристики: токсичност, екотоксичност, енергийна зависимост, запалимост, способност за натрупване в клетките. Специални рискове от „открит” характер възникват при производството, транспортирането и съхранението на отпадъци. И така, изследователите обръщат внимание на следните области, в които възникват рискове, свързани с пасивните наноструктури:

В областта на човешкото здраве: - наноструктурите могат да бъдат токсични и да увредят някои човешки органи, като черния дроб и да проникнат в мозъка през нервната система; - някои наноматериали могат да взаимодействат с желязо и други метали, което повишава тяхната токсичност; - в момента няма достатъчно материал за оценка на опасността от наноматериалите в зависимост от степента на тяхната концентрация в клетките.

Рискове за околната среда. Наноструктурите могат да причинят известна вреда на околната среда, като се има предвид, че: - могат да абсорбират други замърсители (пестициди, кадмий); - поради малкия си размер съществуват рискове, свързани с трудности при откриване на вредни вещества. - Рискове за човешкото здраве и околната среда. Развиващият се дебат между европейски и американски експерти относно ролята, която нанотехнологиите трябва да играят в човешкия живот, повдига нови въпроси пред политиците: Дали нанотехнологиите правят хората по-добри или по-силни? Как да се отнасяме към имплантите, които контролират не само поведението на човешкото тяло, но и неговия мозък? Как да се отнасяме към предстоящата (във връзка с използването на продукти, произведени с помощта на нанотехнологии) промяна в качеството на човешкия живот и следователно ново разбиране на термина „човешка сигурност“.

Политически рискове и рискове за сигурността: - използване на съответните технологии за престъпни и терористични цели; несправедливо и неравномерно разпределение на рисковете, свързани с развитието на нанотехнологиите между страните и регионите (традиционен конфликт Север-Юг). Експертите са особено загрижени за рисковете, възникващи с появата на второто и третото поколение наноструктури. Говорим за перспективата за появата на активни наноструктури и цели наносистеми.

Структурни рискове. Въпросът е, че съвременното общество реагира много бавно на бързо появяващите се нови технологии и продукти, произведени с тях. Закъснява с разработването на стандарти и процедури, регулиращи използването на такива продукти. В контекста на глобализацията има голяма вероятност от неконтролиран достъп до военни продукти, произведени с помощта на нанотехнологии. Икономическият ефект от масовото използване на нанотехнологиите е слабо проучен. С развитието на био- и нанотехнологиите ще се формира нова култура, а някои традиционни етични норми и принципи коренно ще се променят. Проблеми на идентичността, толерантно отношение към „нанобио“, друго съдържание на понятието „личен живот“ и др.

Публикувано на Allbest.ru

...

Подобни документи

    Концепцията за нанотехнологиите. Нанотехнологиите като научно-техническо направление. История на развитието на нанотехнологиите. Сегашното ниво на развитие на нанотехнологиите. Приложение на нанотехнологиите в различни индустрии. Наноелектроника и нанофотоника. Наноенергия.

    дисертация, добавена на 30.06.2008 г

    Развитието на нанотехнологиите през 21 век. Нанотехнологиите в съвременната медицина. Ефектът на лотоса, примери за използване на неговите уникални свойства. Интересни неща в нанотехнологиите, видове нанопродукти. Същност на нанотехнологиите, постижения в този клон на науката.

    резюме, добавено на 11/09/2010

    Концепцията за нанотехнологиите и техните области на приложение: микроелектроника, енергетика, строителство, химическа промишленост, научни изследвания. Характеристики на използването на нанотехнологиите в медицината, парфюмерията, козметиката и хранително-вкусовата промишленост.

    презентация, добавена на 27.02.2012 г

    Използване на нанотехнологиите в хранително-вкусовата промишленост. Създаване на нови хранителни продукти и следене на тяхната безопасност. Метод за широкомащабно фракциониране на хранителни суровини. Продукти, използващи нанотехнологии и класификация на наноматериали.

    презентация, добавена на 12.12.2013 г

    Нанотехнологията е високотехнологичен клон, насочен към изучаване и работа с атоми и молекули. История на развитието на нанотехнологиите, характеристики и свойства на наноструктурите. Приложение на нанотехнологиите в автомобилната индустрия: проблеми и перспективи.

    тест, добавен на 03/03/2011

    Нанотехнологиите и преходът към водородна енергия, разработване и производство на наномашини. Основният принос на нанотехнологиите за "чистото" производство на водород. Развитие на нова област на познание за поведението на наномащабни системи с йонна и смесена проводимост.

    курсова работа, добавена на 16.11.2009 г

    Режими на работа на сканиращ тунелен микроскоп. Въглеродни нанотръби, супрамолекулна химия. Разработки на химици от Уралския държавен университет в областта на нанотехнологиите. Изпитване на лабораторна среднотемпературна горивна клетка.

    презентация, добавена на 24.10.2013 г

    Лидерство на страните в областта на нанотехнологиите. Перспективи за използване на новите технологии в областта на енергетиката, компютърните технологии, химичните и биомолекулярните технологии, оптиката и електрониката, медицината. Примери за научни постижения и разработки.

    презентация, добавена на 14.04.2011 г

    История на развитието на нанотехнологиите; тяхното значение в медицината, науката, икономиката и информационната среда. Схематично представяне и насоки на приложение на едностенна въглеродна нанотръба. Създаване на нанотехнологични центрове в Руската федерация.

    презентация, добавена на 23.09.2013 г

    Материална основа и функции на техническата служба и начини за нейното развитие. Текущото състояние на предприятията на МС, насоки за тяхното реформиране. Видове и приложение на наноматериали и нанотехнологии при производство, възстановяване и укрепване на машинни части.

Курс “Основи на нанотехнологиите” / 26.02.2009 г.

Източник: Изследователски център за нанотехнологии, Московски държавен университет

Лекциите по курса „Основи на нанотехнологиите“ ще се провеждат през пролетния семестър на 2009 г. във вторник и петък от 17-00 часа в зала 02 на Главната сграда на Московския държавен университет.

Курсът от лекции „Основи на нанотехнологиите” е отворен за всички. Ако не сте студент, аспирант или служител на Московския държавен университет, тогава ще можете да присъствате на лекцията само като се регистрирате за нея предварително.

Лекционни материали “Основи на нанотехнологиите”са изложени, докато се четат лекции.

Подборът и подредбата на материалите е обект на авторско право на преподавателите, но част от илюстративния материал може да бъде обект на други обекти на авторско право.

Лекция 1 (PDF, 3.2Mb), академик на Руската академия на науките, професор Ю.Д. Третяков.

Теми на лекциите: основни понятия и дефиниции на наносистемните науки и нанотехнологиите. История на възникването на нанотехнологиите и наносистемните науки. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност.
Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.

Лекция 2 (PDF, 3.8Mb), проф. A.N. Мостри.

Тема на лекцията: характеристики на физическите взаимодействия в наномащаби. Ролята на обема и повърхността във физическите свойства на наноразмерни обекти. Механика на нанообектите. Механични вибрации и резонанси в наноразмерни системи. Сила на триене. Кулоново взаимодействие. Оптика на нанообекти. Връзка между дължината на вълната на светлината и размера на наночастиците. Разлики в разпространението на светлината в хомогенни и наноструктурирани среди. Магнетизъм на нанообектите.

Лекция 3 (PDF, 1.7Mb), проф. В.Ю. Тимошенко.

Тема на лекцията: квантова механика на наносистемите. Квантово-размерни ефекти в нанообекти. Квазичастици в твърди тела и наноструктурирани материали. Квантови точки. Мустаци, влакна, нанотръби, тънки филми и хетероструктури. Квантови ефекти в наноструктури в магнитно поле. Електропроводимост на нанообекти. Концепцията за балистична проводимост. Едноелектронно тунелиране и кулонова блокада. Оптични свойства на квантовите точки. Спинтроника на нанообекти.

Лекция 4 (PDF, 4.7Mb), член-кореспондент на Руската академия на науките, професор E.A. Гудилин.

Тема на лекцията: методи за производство на наночастици

Лекция 5 (PDF, 2.5Mb), академик на Руската академия на науките, професор А.Р. Хохлов.

Тема на лекцията: нанотехнологии и “мека” материя.


Програма на курса

Основни понятия и дефиниции на наносистемните науки и нанотехнологиите. История на възникването на нанотехнологиите и наносистемните науки. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност. Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.
(Академик на Руската академия на науките, професор Ю. Д. Третяков)

Характеристики на физическите взаимодействия в наномащаби. Ролята на обема и повърхността във физическите свойства на наноразмерни обекти. Механика на нанообектите. Механични вибрации и резонанси в наноразмерни системи. Сила на триене. Кулоново взаимодействие. Оптика на нанообекти. Връзка между дължината на вълната на светлината и размера на наночастиците. Разлики в разпространението на светлината в хомогенни и наноструктурирани среди. Магнетизъм на нанообектите.
(проф. А. Н. Образцов)

Квантова механика на наносистемите. Квантово-размерни ефекти в нанообекти. Квазичастици в твърди тела и наноструктурирани материали. Квантови точки. Мустаци, влакна, нанотръби, тънки филми и хетероструктури. Квантови ефекти в наноструктури в магнитно поле. Електропроводимост на нанообекти. Концепцията за балистична проводимост. Едноелектронно тунелиране и кулонова блокада. Оптични свойства на квантовите точки. Спинтроника на нанообекти.
(проф. В. Ю. Тимошенко)

Основни принципи на формиране на наносистеми. Физични и химични методи. Процеси за получаване на нанообекти “отгоре надолу”. Класическа, “мека”, микросфера, йонен лъч (FIB), АСМ - литография и наноиндентиране. Механична активация и механосинтез на нанообекти. Процеси за получаване на нанообекти “отдолу нагоре”. Нуклеационни процеси в газови и кондензирани среди. Хетерогенна нуклеация, епитаксия и хетероепитаксия. Спинодален разпад. Синтез на нанообекти в аморфни (стъклени) матрици. Методи за химична хомогенизация (съутаяване, зол-гел метод, криохимична технология, пиролиза на аерозоли, солвотермична обработка, суперкритично сушене). Класификация на наночастиците и нанообектите. Техники за получаване и стабилизиране на наночастици. Агрегация и дезагрегация на наночастици. Синтез на наноматериали в едно и двумерни нанореактори.

Статистическа физика на наносистемите. Характеристики на фазовите преходи в малки системи. Видове вътрешно- и междумолекулни взаимодействия. Хидрофобност и хидрофилност. Самосглобяване и самоорганизация. Образуване на мицели. Самосглобени монослоеве. Филми на Лангмюр-Блоджет. Надмолекулна организация на молекулите. Молекулярно разпознаване. Полимерни макромолекули, методи за тяхното получаване. Самоорганизация в полимерни системи. Микрофазово разделяне на блок съполимери. Дендримери, полимерни четки. Послойно самосглобяване на полиелектролити. Надмолекулни полимери.
(Академик на Руската академия на науките, професор А.Р. Хохлов)

Компютърно моделиране на наноструктури и наносистеми. Микроскопски и мезоскопски методи за моделиране (Монте Карло и молекулярна динамика, дисипативна динамика на частиците, теоретични методи на полето, методи на крайните елементи и перидинамика). Свързване на различни пространствени и времеви мащаби. Молекулярно инженерство. Компютърна визуализация на нанообекти. Възможности за числен експеримент. Примери за молекулярно моделиране на наноструктури, молекулярни превключватели, протеини, биомембрани, йонни канали, молекулярни машини.
(Професор P.G. Khalatur)

Методи за изследване и диагностика на нанообекти и наносистеми. Електронна сканираща и трансмисионна микроскопия. Електронна томография. Електронна спектроскопия. Дифракционни методи за изследване. Оптични и нелинейно оптични диагностични методи. Характеристики на конфокалната микроскопия. Сканираща сондова микроскопия: Силова микроскопия. Спектроскопия на атомно-силовите взаимодействия. Тунелна микроскопия и спектроскопия. Оптична микроскопия и поляриметрия в близко поле. Приложение на сканиращата сондова микроскопия в нанотехнологиите.
(проф. В. И. Панов)

Вещество, фаза, материал. Йерархична структура на материалите. Наноматериали и тяхната класификация. Неорганични и органични функционални наноматериали. Хибридни (органично-неорганични и неорганично-органични) материали. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурирани 1D, 2D и 3D материали. Мезопорести материали. Молекулярни сита. Нанокомпозити и техните синергични свойства. Структурни наноматериали.
(Член-кореспондент на Руската академия на науките, професор Е.А. Гудилин)

Капилярност и омокряне в наносистеми. Повърхностна енергия и повърхностно напрежение. Капки върху твърди и течни повърхности. Пълно и непълно намокряне. Повърхностни (електростатични и молекулярни) и капилярни сили. Хистерезис на контактния ъгъл: ролята на химическата хетерогенност и грапавост. Суперхидрофобни повърхности. Фрактални и подредени текстури. Еластокапилярност. Динамика на намокряне и разпространение. Проблеми на потока, смесването и разделянето в малки канали и устройства за микро- и нанофлуиди. Цифрова микрофлуидика, електрокинетика, анизотропни и суперхидрофобни текстури като примери за решаване на микро- и нанофлуидични проблеми. Приложения: Самопочистване и хидроизолация, мастиленоструен печат, лаборатория върху чип, ДНК чипове, биомедицина, горивни клетки.
(проф. О.И. Виноградова)

Лекция 10.

Катализа и нанотехнологии. Основни принципи и понятия в хетерогенната катализа. Влияние на условията на получаване и активиране върху формирането на активната повърхност на хетерогенни катализатори. Структурно-чувствителни и структурно-нечувствителни реакции. Специфика на термодинамичните и кинетичните свойства на наночастиците. Електрокатализа. Катализа върху зеолити и молекулярни сита Мембранна катализа.
(Академик на Руската академия на науките, професор В. В. Лунин)

Лекция 11.

Физика на наноустройствата. Методи за създаване на наноустройства. Механични и електромеханични микро и наноустройства. Сензорни елементи на микро- и наносистемна технология. Температурни сензори на базата на термодвойки. Сензори за ъглова скорост. Сензори за магнитно поле. Микро и нано помпи. Интегрални микроогледала. Вградени микромеханични ключове. Интегрирани микро- и нано-мотори. Физически принципи на действие на основните елементи на микро- и наноелектрониката. Закон на Мур. Едноелектронни устройства. Едноелектронен транзистор. Едноелектронни елементи на цифрови схеми.
(проф. А. Н. Образцов)

Лекция 12.

Физика на наноустройствата. Оптоелектронни и наноелектронни устройства. Светодиоди и лазери на базата на двойни хетероструктури. Фотодетектори с квантови ямки. Лавинни фотодиоди, базирани на система с квантови ямки. Устройства и инструменти за нанофотоника. Фотонни кристали. Изкуствени опали. Оптични влакна. Оптични ключове и филтри. Перспективи за създаване на фотонни интегрални схеми, устройства за съхранение и обработка на информация. Магнитни наноустройства за запис и съхранение на информация. Наносензори: полупроводникови, пиезоелектрични, пироелектрични, повърхностни акустични вълни, фотоакустични.
(проф. В. Ю. Тимошенко)

Лекция 13.

Молекулярни основи на живите системи. Понятие за жива клетка; структура и функции на органелите, принцип на самоорганизация на живите същества. Приложимост на термодинамични и кинетични подходи към процеси, протичащи в живата материя. Бактерии, еукариоти, многоклетъчни организми. Нуклеинови киселини: класификация, структура, свойства. Естествени наносистеми при съхранение, възпроизвеждане и внедряване на клетъчна генетична информация. Системи за контрол на клетъчното делене на ниво организъм. Ракът е повреда в генетичната програма на клетката.
(Член-кореспондент на Руската академия на науките, професор О.А. Донцова)

Лекция 14.

Структура и функции на протеините. Функциите, изпълнявани от протеините, разнообразието от аминокиселини, които изграждат протеина. Нива на организация на белтъците, методи за изследване на различните нива на организация на белтъчната молекула. Първична протеинова структура, посттранслационни модификации. Вторични и третични протеинови структури, проблеми с правилното протеиново сгъване, заболявания, причинени от неправилно протеиново сгъване. Създаването на изкуствени протеини с „подобрена“ структура е важна нанотехнологична задача. Разбиране на кватернерната структура и използване на кватернерната структура за подобряване на регулаторните способности и изпълнение на механични функции. Протеини на съединителната тъкан (колаген), механизми за регулиране на механичната якост. Протеини, които образуват цитоскелета (актин, тубулин, протеини на интерстициални нишки), регулиране на сглобяването и разглобяването на цитоскелетните елементи. Използване на цитоскелетни протеини като "релси" за моторни протеини. Миозините, кинезините и динеините са примери за високоспециализирани наномоторни протеини, които осигуряват вътреклетъчен транспорт и биологична подвижност. Възможност за използване на моторни протеини за решаване на някои нанотехнологични проблеми.
(проф. Н. Б. Гусев)

Лекция 15.

Въглехидрати. Моно-, олиго- и полизахариди. Характеристики на структурата, методи на представяне. Възможност за използване на полизахариди като нанобиоматериали. Липиди. Класификация и структурни характеристики. Наноструктури, образувани от липиди. Монослоеве, мицели, липозоми. Перспективи за целите на нанотехнологиите. Биомембрани. Структурни характеристики и основни функции.
(проф. А. К. Гладилин)

Лекция 16.

Ензимите са протеини със специална функция на катализа. Основни принципи на ензимната структура и особености на ензимната катализа. Активното място на ензима е самосглобена и високо организирана функционализирана наночастица и наномашина. Витамини и коензими, тяхното участие в катализата. Молекулен дизайн и модификация на ензимната специфичност – нанотехнологични предизвикателства и перспективи. Размерни ефекти в наномащаба при протеинова катализа. Ензими в мембрани и мембраноподобни наноструктури: регулиране на каталитичните свойства и олигомерния състав чрез размера на матрицата. Биомолекулни наночастици; ензим в "яка" (обвивка от неорганични и органични молекули) е нов стабилен катализатор. Мултиензимни комплекси: прилагане на принципа на "разпознаване" в природата и наноразмерни матрици.
(проф. Н. Л. Клячко)

Лекция 17.

Структурни и функционални аспекти на бионанотехнологиите. Разнообразие от надмолекулни структури, образувани от биомолекули. Принципът на самосглобяване. Използването на биоструктури с уникални геометрии като шаблони за производство на наноматериали и наноструктури (производство на нанопроводници, нанотръби и нанопръчки от метали, проводими полимери, полупроводници, оксиди и магнитни материали с помощта на ДНК, вирусни частици и протеинови нишки). Генериране на 2D наномодели и 3D суперструктури с помощта на ДНК, S-листове, вирусни частици и липозоми. Изкуствени методи за самоорганизация в наномащаба. Биофункционализация на наноматериали. Общи методи за конюгиране на нанообекти с биомолекули. Специфичен афинитет на някои биомолекули към нанообекти.
(проф. И. Н. Курочкин)

Лекция 18.

Нанобиоаналитични системи. История на развитието на съвременните биоаналитични системи. Биосензори. Основни понятия, области на приложение. „Разпознаващи” елементи на биосензорите: ензими, нуклеинови киселини, антитела и рецептори, клетъчни органели, клетки, органи и тъкани. "Детектиращи елементи" на биосензори. Физическа основа на запис на сигнал. Видове биосензори: електрохимични, полупроводникови, микрогравиметрични, фиброоптични, повърхностни плазмони, дифракционни решетки, интерферометрични, микро- и наномеханични. Нанобиоаналитични системи, базирани на наноразмерни полупроводникови и метални структури (квантови точки, молекулярни "пружини", гигантски нелинейни оптични ефекти върху повърхността на метални наночастици - SERS, ензимни и автометалографски методи и др.). Приложение за целите на мониторинг на околната среда и биомедицински изследвания. Нанобиоаналитични системи, базирани на сканираща сондова микроскопия.
(проф. И. Н. Курочкин)

Дистанционните образователни курсове са съвременна форма на ефективно допълнително образование и повишаване на квалификацията в областта на обучението на специалисти за разработване на перспективни технологии за производство на функционални материали и наноматериали. Това е една от обещаващите форми на модерно образование, развиващо се в целия свят. Тази форма на придобиване на знания е особено актуална в такава интердисциплинарна област като наноматериалите и нанотехнологиите. Предимствата на дистанционните курсове са тяхната достъпност, гъвкавост при изграждането на образователни маршрути, подобрена ефективност и ефикасност на процеса на взаимодействие с учениците, рентабилност в сравнение с редовните курсове, които обаче могат хармонично да се комбинират с дистанционно обучение. В областта на основните принципи на нанохимията и наноматериалите са подготвени видео материали от Научно-образователния център по нанотехнологии на Московския държавен университет:

  • . Основни понятия и дефиниции на наносистемните науки и нанотехнологиите. История на възникването на нанотехнологиите и наносистемните науки. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност. Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.
  • . Основни принципи на формиране на наносистеми. Физични и химични методи. Процеси за получаване на нанообекти “отгоре надолу”. Класическа, “мека”, микросфера, йонен лъч (FIB), АСМ - литография и наноиндентиране. Механична активация и механосинтез на нанообекти. Процеси за получаване на нанообекти “отдолу нагоре”. Нуклеационни процеси в газови и кондензирани среди. Хетерогенна нуклеация, епитаксия и хетероепитаксия. Спинодален разпад. Синтез на нанообекти в аморфни (стъклени) матрици. Химични методи за хомогенизиране (съутаяване, зол-гел метод, криохимична технология, аерозолна пиролиза, солвотермична обработка, суперкритично сушене). Класификация на наночастиците и нанообектите. Техники за получаване и стабилизиране на наночастици. Агрегация и дезагрегация на наночастици. Синтез на наноматериали в едно и двумерни нанореактори.
  • . Статистическа физика на наносистемите. Характеристики на фазовите преходи в малки системи. Видове вътрешно- и междумолекулни взаимодействия. Хидрофобност и хидрофилност. Самосглобяване и самоорганизация. Образуване на мицели. Самосглобени монослоеве. Филми на Лангмюр-Блоджет. Надмолекулна организация на молекулите. Молекулярно разпознаване. Полимерни макромолекули, методи за тяхното получаване. Самоорганизация в полимерни системи. Микрофазово разделяне на блок съполимери. Дендримери, полимерни четки. Послойно самосглобяване на полиелектролити. Надмолекулни полимери.
  • . Вещество, фаза, материал. Йерархична структура на материалите. Наноматериали и тяхната класификация. Неорганични и органични функционални наноматериали. Хибридни (органично-неорганични и неорганично-органични) материали. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурирани 1D, 2D и 3D материали. Мезопорести материали. Молекулярни сита. Нанокомпозити и техните синергични свойства. Структурни наноматериали.
  • . Катализа и нанотехнологии. Основни принципи и понятия в хетерогенната катализа. Влияние на условията на получаване и активиране върху формирането на активната повърхност на хетерогенни катализатори. Структурно-чувствителни и структурно-нечувствителни реакции. Специфика на термодинамичните и кинетичните свойства на наночастиците. Електрокатализа. Катализа върху зеолити и молекулни сита. Мембранна катализа.
  • . Полимери за структурни материали и функционални системи. „Умни“ полимерни системи, способни да изпълняват сложни функции. Примери за „умни“ системи (полимерни течности за производство на нефт, интелигентни прозорци, наноструктурирани мембрани за горивни клетки). Биополимерите като най-„умните“ системи. Биомиметичен подход. Проектиране на последователност за оптимизиране на свойствата на интелигентните полимери. Проблеми на молекулярната еволюция на последователностите в биополимери.
  • . Разглеждат се текущото състояние и проблемите на създаването на нови материали за химически източници на енергия: твърди оксидни горивни клетки (SOFC) и литиеви батерии. Анализирани са ключови структурни фактори, които влияят върху свойствата на различни неорганични съединения, които определят възможността за използването им като електродни материали: сложни перовскити в SOFC и съединения на преходни метали (сложни оксиди и фосфати) в литиеви батерии. Разглеждат се основните анодни и катодни материали, използвани в литиевите батерии и признати за обещаващи: техните предимства и ограничения, както и възможността за преодоляване на ограниченията чрез насочени промени в атомната структура и микроструктурата на композитните материали чрез наноструктуриране с цел подобряване на характеристиките на текущи източници.

Избрани въпроси са разгледани в следните глави на книгата (изд. Бином):

Илюстративни материали за нанохимия, самосглобяване и наноструктурирани повърхности:

Научно популярни "видеокниги":

Избрани глави от нанохимията и функционалните наноматериали.

Нанотехнологиите по своята специфика са интердисциплинарна научна област на приложната технология, занимаваща се с изучаването и създаването на иновативни и иновативни методи за производство на нови материали с определени свойства, които впоследствие се използват в голямо разнообразие от сектори на съвременния човешки живот.

Като цяло нанотехнологиите работят със структури, които имат стойности от 100 nm или дори по-малко, като в същото време използват устройства, както и материали, имащи горните размери. Днес нанотехнологиите са изключително разнообразни и се използват в голямо разнообразие от изследвания, вариращи от създаването на нови технически устройства до най-новите изследвания, свързани с изучаването на молекулярно-атомно ниво.

Основи на нанотехнологиите.

Метод на атомно-силова микроскопия.

Трябва да се каже, че един от основните инструменти, които се използват за работа с микрочастици, са микроскопите, тъй като без това устройство не е възможно не само да се работи с микрочастици, но и да се изучава микросветът. Увеличаването на разделителните характеристики на съвременните микроскопи и придобиването на все повече и повече нови знания за елементарните частици днес са взаимосвързани. В момента, с помощта на оборудване като атомно-силови микроскопи или AFM и сканиращи електронни микроскопи, съвременните учени са в състояние не само да наблюдават отделни атоми, но дори да намерят начини да им въздействат, например чрез метене на атоми по повърхността. В същото време съвременните учени вече са успели да създадат така наречените двуизмерни наноструктури върху повърхности, използвайки горния метод на въздействие. Например в изследователските центрове на известната компания IBM учените чрез последователно смесване на ксенонови атоми на повърхността на никелови нанокристали успяха да създадат фирмено лого, състоящо се от 35 атома от веществото.

При извършването на тези действия, свързани със смесването на веществата, както и разделянето и комбинирането им, учените срещнаха някои технически трудности. За да се преодолее това, е необходимо да се създадат условия на свръхзвуков вакуум (10–11 torr), за това е необходимо да се охлади стойката и микроскопът до ултраниска температура от 4 до 10 K, докато повърхността на този субстрат трябва да е гладка и чиста на атомно ниво. За целта се използват специализирани технологии за механична и химична обработка на продуктите, като целта на тази обработка е да се намали повърхностната дифузия на отложените атоми, с помощта на които основата се охлажда.

Наночастици.

Основната отличителна черта на новите материали, които се получават по време на употреба нанотехнологии, е непредсказуемото получаване на физически и технически характеристики, придобити от тези материали. Благодарение на това съвременните учени имат възможност да получат нови квантови физични и механични характеристики на вещества, в които електронните структури са модифицирани, което автоматично променя формата на проявление на тези съединения. Например способността за намаляване на размера на частиците не във всички случаи е податлива на определяне или измерване с помощта на макро или микро измервания. Измерванията обаче могат да бъдат възможни, ако размерът на частиците е в диапазона милимикрони. Трябва също да се отбележи, че някои физични и механични свойства се променят, ако размерът на елементите се промени. В момента наличието на необичайни механични свойства в наноматериалите е обект на изследване от учени, работещи в областта на наномеханиката. В същото време специално място в съвременните нанотехнологии заема производството на нови вещества с помощта на различни катализатори, които влияят на поведението на наноматериалите, когато те взаимодействат с различни биоматериали.

Както казахме по-рано, частици с размери от 1 до 100 нанометра се наричат ​​наночастици и изследванията показват, че наночастиците от много материали имат висока абсорбция и каталитични свойства. Други материали осигуряват уникални оптични свойства. Например, изследователите успяха да получат прозрачни керамични материали на базата на нанопрахове с размер 2-28 nm, които имат по-добри свойства от, например, короните. Учените също успяха да получат взаимодействието на изкуствено произведени наночастици с естествени обекти с наноразмери, например с протеини, нуклеинови киселини и др. В допълнение, пречистените наночастици, поради техните уникални свойства, имат способността да бъдат интегрирани в различни структури . Такива структури, съдържащи наночастици, придобиват свойства и характеристики, непознати досега за тях.

Днес всички нанообекти са разделени на три класа:

Първият клас включва триизмерни частици, които се получават чрез взривяване на проводници, чрез плазмен синтез или чрез редуциране на тънки филми.

Вторият клас включва така наречените двумерни обекти, които са филми и са получени с помощта на методи на молекулярно отлагане, ALD, CVD и йонно отлагане.

Третият клас включва мустаци или едномерни обекти, получени чрез методи на молекулярно наслояване или чрез въвеждане на различни вещества в цилиндричен микропорт.

Освен това има и нанокомпозити, които се получават чрез въвеждане на наночастици в специализирани матрици. Към днешна дата широко се използва само методът на микролитографията, който позволява получаването на островни плоски обекти с размер от 50 nm или повече върху повърхността на матрицата и се използват в съвременната електроника. Също така е необходимо да се отбележат методите на молекулярно и йонно наслояване, тъй като с помощта на тези методи е възможно да се получат истински филмови покрития под формата на монослой.

Самоорганизация на наночастиците.

Едно от най-големите предизвикателства пред нанотехнологиите е как да се принудят атомите и молекулите да се групират заедно по специфични начини, което им позволява да се самовъзстановяват и саморазвиват, което в крайна сметка води до нови материали или устройства. Тези проблеми се решават от химици, работещи в областта на супрамолекулната химия. При това те изучават не отделните молекули, а взаимодействието между тях, както и как са организирани при определено влияние и дали имат способността да образуват нови вещества. Много учени смятат, че природата наистина притежава такива системи и в нея протичат такива процеси. Например вече са известни биополимери, които могат да бъдат организирани в специални структури. Също така са дадени подобни примери за протеини, които поради своите свойства могат не само да се сгъват и да придобият кълбовидна форма, но и да образуват цели комплекси и структури, които съдържат няколко протеинови молекули наведнъж. Още днес учените са успели да създадат метод за синтез, който използва специфичните свойства, които притежават ДНК молекулите.